CN111341544B - 一种全耦合磁性元件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及耦合电感技术领域，尤其涉及并公开了一种全耦合磁性元件，包括至少两相电路，每相电路由若干耦合单元连接形成，每两相电路至少通过1个耦合单元直接耦合，并且该两相电路电流中各自的直流分量产生的磁场方向相反。本发明的一种全耦合磁性元件，各相之间直接相互耦合，具有较低的输出电流纹波；集成的全耦合磁性元件具有非常高的规律性和可扩展性，具有体积小、成本低、拓展性强、高度集成化的优点，可与外围的半导体芯片一起集成为单芯片，或者在事先制作有半导体芯片的晶圆上直接制作而成，从而形成一个高度集成、无需外部磁性无源器件的微型化电源管理芯片，可取代传统的基于分立元件的电源管理等电路及方案，应用于多种用途。

Description

一种全耦合磁性元件
技术领域
本发明涉及耦合电感技术领域，尤其涉及一种全耦合磁性元件。
背景技术
随着电子产品具有的功能的不断增加，电子产品中开关电源数量不断增多，而电子产品体积的却在不断缩小，这使得开关电源的体积需要不断的缩小，同时还需要满足高效性，从而保证电子产品较好的电池续航时间。 传统开关电源都是采用事先已制作成的单立磁性元件，单立磁性元件体积大，集成度低，所以开关电源的体积很难缩小，使得电子产品的体积无法大幅缩小，阻碍了电源的小型化，同时也不利于提升未来电子产品的性能：
1、因为电源体积大，电源无法非常近距离地放置于负载旁边，所以电源和负载之间会有一定的距离，需要导线连接，这些连线会带入寄生电阻和寄生电感，不仅损害了电源的暂态响应，而且还带来了额外的导通损耗，降低了整个电源系统的性能。未来深纳米技术的CPU和GPU等数据运算处理类芯片的负载特点是大电流和低电压，传统采用单立式原件的开关电源将不能满足高性能CPU及GPU等微处理器等数据运算芯片的快速响应和精确调压的需求。
2、CPU和GPU电压需要进一步精细化管理，不同功能区采用不同供电电压，同时多核的发展趋势促使电源数量大幅增加，以实现动态电压管理和各电源的独立开关和调压功能，最终实现芯片性能提升并大幅提高整体电源的效率，延长电池的续航能力，这就要求开关电源需要由许多个点阵化和颗粒化的电源单元来组成，每个电源单元需要小型化和集成化，被直接放置于CPU和GPU等负载的用电点旁，甚至通过兼容的制作工艺直接制作在CPU和GPU等芯片上，实现就地供电，大幅减少了电源输送网路的寄生电感和电阻，确保快速响应和精确调压，显著地降低了功耗。
考虑到这些挑战，传统单立磁性元件体积大，无法满足开关电源的小型化需求。同时，开关电源未来将由数量众多的点阵式和颗粒化开关电源单元来构成，每个单元至少需要一个磁性元件，单立磁性元件从成本、使用方便性和体积上，都无法满足需求，制作工艺也无法兼容半导体工艺，而采用微纳加工技术制成的集成磁性元件，可以实现磁性元件的微型化和集成化，并且在实现复杂电路拓扑结构、增加磁性元件个数的同时基本不会增加磁性元件的成本。
以目前传统的多相降压型开关电源应用为例，来说明目前的电路拓扑和磁性元件技术背景以及存在的问题。
目前多相降压开关电源，许多采用耦合电感的方式，可以降低电流纹波，同时也可以加快电路的暂态响应。耦合电感采用反向耦合方式，耦合电感中通过的两相直流电流方向相反，所以两路直流电流产生的磁场相互抵消，使得耦合电感不易饱和。
附图1是采用传统电感技术的四相降压开关电源电路示意图，是一个典型的多路BUCK电源电路，其中包含了耦合电感、电容等无源器件，同时还包含了开关管、驱动和控制单元的电源管理芯片。
其中，第一相分别通过耦合电感单元L1-2和L1-4与第二相和第四相耦合，第二相分别通过耦合电感单元L1-2和L2-3与第一相及第三相耦合，第三相分别通过耦合电感单元L2-3和L3-4与第二相及第四相耦合，第四相分别通过耦合电感单元L1-4和L3-4与第一相及第三相耦合。采用不同相数的，耦合方式依此类推，电路采用耦合电感单元数目与相数相同，且每一相只与其相邻的相分别通过一个耦合电感单元直接耦合。如果相数是N，耦合电感单元数也是N。此电路中应用的电感在此称为多相邻近耦合电感。
上述多相邻近耦合电感存在的问题是：输入\输出端口没有规律，拓展性比较差，而且各相电路纹波以及输出电流纹波达不到最佳。
如果每一相电路与电路中的其它所有相都可以直接耦合，形成全耦合磁性电感，则在每相总电感量以及各耦合单元的耦合系数保持不变的情况下，无论在电源相数全开通或部分开通的情况下，各相电路都会具有更低的输出电流纹波，输出电流的纹波也随之变小。
当然，如果还更进一步，有一种小型化、模块化、高度集成化的全耦合磁性元件，其各相输入输出端及电流回路具有较好的规律性和扩展性，则不仅克服了多相邻近耦合电感的缺点，具有全耦合方式的优点，又可以具有体积小、成本低、拓展性强、高度集成化、适用于便携式设备的优点。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种能确保相与相之间能直接耦合，具有较低的输出电流纹波，且拓展性强，能够高度集成化的的全耦合磁性元件。
为实现上述发明目的，本发明采用如下的技术方案：
一种全耦合磁性元件，包括至少两相电路，每相电路由若干耦合单元连接形成，每两相电路至少通过1个耦合单元直接耦合，并且该两相电路电流中各自的直流分量产生的磁场方向相反。
所有相与其他相之间能够直接耦合，称为多相全耦合电感。通过这种耦合方式，在每相总电感量以及各耦合电感单元的耦合系数保持不变的情况下，无论在电源相数全开通或部分开通的情况下，与传统的多相邻近耦合电感相比，都具有更低的输出电流纹波。
作为优选，一种集成全耦合磁性元件，包括N行×N-1列个矩阵排列的结构相同的耦合单元，矩阵记为：A=（aij）N×N-1，其中aij 是矩阵A的第i 行第j 列耦合单元，N为≥2的自然数，i=1，2，3，……N，j=1，2，3，……N-1，每个耦合单元具有磁芯、一个正向绕组线圈和一个反向绕组线圈，两个绕组线圈绕制在磁芯上或磁芯包裹两个绕组线圈，两个绕组线圈匝数相同，且两个绕组线圈电流在磁芯中产生的磁力线方向相反，N个输入端位于矩阵的同侧，N个输出端位于矩阵的另一侧，当p=1时，第1个输入端经过a11，a12，a13，……a1（N-1）的正向绕组线圈3，再经过a2（N-1），a3(N-2)，a4(N-3)，……aN1的反向绕组线圈4，串联到达第1个输出端成为一相，当p=2、3，4，……N-1，第p个输入端经过a1（p-1），a2（p-2），a3（p-3），……a（p-1）1的反向绕组线圈（4），再经过ap1，ap2，ap3，……ap（N-1）的正向绕组线圈（3），之后经过a（p+1）（N-1），a（p+2）（N-2），a（p+3）（N-3），……aNp的反向绕组线圈（4），串联到达第p个输出端成为一相，当p=N，第p个输入端经过a1（p-1），a2（p-2），a3（p-3），……a（p-1）1的反向绕组线圈4，再经过ap1，ap2，ap3，……ap（N-1）的正向绕组线圈3，串联到达第N个输出端成为一相。
上述结构，各相之间直接相互耦合，是一种多相全耦合方式，同时N相中的每一相与其它各相完全对称，实现各相之间的阻抗均衡和电流均衡；每个耦合单元的工艺完全一致，在制作过程中可同步制作完成；耦合单元的布局具有非常高的规律性和可扩展性，当全耦合集成电感的相数需要增加时，只需在原有耦合单元的右方和下方分别添加一行和一列耦合单元，即可增加一相，非常符合集成电路的模块化设计和制作；输入端与输出端分别位于元件的两侧，便于与开关电源管理芯片的输入、输出端口连接。
作为优选，所述正向绕组线圈和反向绕组线圈均缠绕在磁芯上，二者均为螺线管型线圈，磁芯为单层或多层叠加，其中多层叠加由多层磁芯材料与绝缘材料次序堆叠形成，磁芯设置为开环或闭环。线圈缠绕磁芯的螺线管型结构是比较常用的一种结构，磁芯多层叠加可以在控制涡流损耗的同时又增加了电感量。磁芯闭环可采用回字形或跑道形结构，跑道形结构可减轻磁芯四个角的应力，并且使得磁芯中的磁通分布更为均匀。
作为优选，所述的耦合单元采用多层叠合集成，从下到上包括底层导线层、磁芯层、顶层导线层，相邻两层之间具有绝缘层，底层导线层和顶层导线层之间需要连通的地方在绝缘层上开有若干通孔，通孔内填埋导电材料，两层导线通过通孔形成螺线型缠绕在磁芯层上，并在每相的输入端至输出端形成导电通路。这样的集成结构，厚度非常薄，小于0.1mm， 可与外围的半导体芯片一起采用叠装封装方式集成为单芯片，或者在事先制作有半导体芯片的晶圆上直接制作而成，从而形成一个高度集成、无需外部磁性无源器件的微型化电源管理芯片，最大程度地减小了电路系统的面积和降低了整个芯片的封装厚度，也极大缩短了芯片与磁器件之间的连接距离，减少了对外界的电磁干扰，可取代传统的基于分立元件的电源管理等电路及方案，应用于多种用途，比如可穿戴电子设备、无线通信设备、便携式电子设备等。
作为优选，所述的底层导线层、磁芯层和顶层导线层采用导电材料微纳加工方法制作，绝缘层采用绝缘材料微纳加工方法制作，所述的微纳加工方法包括光刻、电化学沉积、物理气相沉积、干法刻蚀或湿法刻蚀方法。导电材料采用铜和铝等，绝缘材料采用二氧化硅或树脂等，磁芯的材料可采用含有铁、钴、镍等元素的铁磁材料，磁导率大于1，使得耦合单元具有较高的励磁电感，磁芯的厚度可以在0.1微米到100微米之间，主要取决于耦合电感工作的频率和所需要的电感量。为了在高频下控制磁芯的涡流损耗，磁芯的厚度一般低于对应于多相耦合电感工作电流纹波频率的一个集肤深度。
作为优选，所述正向绕组线圈和反向绕组线圈均为直线型线圈，磁芯为上下两层，磁芯上下层包裹正向绕组线圈和反向绕组线圈，磁芯为单层或多层叠加，其中多层叠加由多层磁芯材料与绝缘材料次序堆叠形成，磁芯设置为开环或闭环。这种磁包线的结构也比较常用，磁芯上下层可使用平板结构开环，也可以四周闭合，形成闭合磁通回路，即闭环，增加单位面积电感量。
作为优选，所述的耦合单元采用多层叠合集成，从下到上包括底层磁芯、下层导线层和上层导线层，顶层磁芯，相邻两层之间具有绝缘层，下层导线层和上层导线层之间需要连通的地方开有通孔，通孔内填埋导电材料，并在每相的输入端至输出端形成导电通路。
作为优选，所述磁芯为两个，每个磁芯包括一个底层磁芯和一个顶层磁芯，所述的正向绕组线圈和反向绕组线圈分别为螺旋型，两个磁芯分别包裹正向绕组线圈和反向绕组线圈，每个磁芯的底层磁芯和顶层磁芯为单层或多层叠加，其中多层叠加由多层磁芯材料与绝缘材料次序堆叠形成，并设置为开环或闭环。螺旋型多匝绕组线圈可增加单位面积电感量。
作为优选，所述的耦合单元采用多层叠合集成，从下到上包括底层磁芯、下层导线层、上层导线层和顶层磁芯，相邻两层之间具有绝缘层，下层导线层和上层导线层之间需要连通的地方开有通孔，通孔内填埋导电材料，每层导线层均是正向绕组线圈和反向绕组线圈螺旋交叉对称排布，正向绕组线圈和反向绕组线圈螺旋方向相反，下层导线层中的正、反向绕组线圈分别通过通孔与上层导线层中的正、反向绕组线圈正向连接。上下层相对位置的导线形成一个绕组线圈，并被一对磁芯上下包裹。
作为优选，所述的底层磁芯、下层导线层、上层导线层和顶层磁芯采用导电材料微纳加工方法制作，绝缘层采用绝缘材料微纳加工方法制作，所述的微纳加工方法包括光刻、电化学沉积、物理气相沉积、干法刻蚀或湿法刻蚀方法。
本发明的一种全耦合磁性元件，各相之间直接相互耦合，是一种多相全耦合方式，具有较低的输出电流纹波；集成的全耦合磁性元件每个耦合单元的工艺完全一致，在制作过程中可同步制作完成；耦合单元的布局具有非常高的规律性和可扩展性；输入端与输出端分别位于元件的两侧，便于与开关电源管理芯片的输入、输出端口连接，具有体积小、成本低、拓展性强、高度集成化的优点，可与外围的半导体芯片一起采用叠装封装方式集成为单芯片，或者在事先制作有半导体芯片的晶圆上直接制作而成，从而形成一个高度集成、无需外部磁性无源器件的微型化电源管理芯片，最大程度地减小了电路系统的面积和降低了整个芯片的封装厚度，也极大缩短了芯片与磁器件之间的连接距离，减少了对外界的电磁干扰，可取代传统的基于分立元件的电源管理等电路及方案，应用于多种用途，比如可穿戴电子设备、无线通信设备、便携式电子设备等。
附图说明
图1为现有技术采用传统电感技术的四相降压开关电源电路示意图。
图2为本发明实施例1全耦合四相降压开关电源电路示意图。
图3为图1和图2中两个电路的第一相输出电流波形图。
图4a、4b、4c分别为本发明实施例2中四相、三相、二相全耦合磁性元件结构连接示意图。
图5为图4b中三相全耦合磁性元件采用多层叠合集成制作的结构示意图。
图6为图5中底层导线层结构示意图。
图7为图5中磁芯层结构示意图。
图8为图5中通孔结构示意图。
图9为图5中底层导线层、磁芯层、通孔叠合结构示意图。
图10为图5中顶层导线层结构示意图。
图11a、11b、11c分别为本发明实施例3中四相、三相、二相全耦合磁性元件结构连接示意图。
图12a、12b、12c分别为本发明实施例4中四相、三相、二相全耦合磁性元件结构连接示意图。
图13为图12a、12b、12c中耦合单元的多层叠合集成结构示意图。
图14是图13中的底层磁芯结构示意图。
图15是图13中的下层导线层结构示意图。
图16是图13中的上层导线层结构示意图。
图17是图13中的顶层磁芯结构示意图。
图18是图13中的俯视图。
图19为本发明实施例5中耦合单元的结构示意图。
图20为本发明实施例6中耦合单元的多层叠合集成结构示意图。
图21为图20 中底层磁芯结构示意图。
图22为图20中下层导线层结构示意图。
图23为图20中通孔结构示意图。
图24为图20中上层导线层结构示意图。
图25为图20中顶层磁芯结构示意图。
具体实施方式
下面结合图 1-25与具体实施方式对本发明做进一步的说明。
实施例1
一种全耦合磁性元件，包括至少两相电路，每相电路由若干耦合单元1连接形成，每两相电路至少通过1个耦合单元1直接耦合，并且该两相电路电流中各自的直流分量产生的磁场方向相反。
如附图2所示，以4相降压开关电源为例，电路采用了12个耦合单元1分别为L1-2、L1-3、L1-4、L2-1、L2-3、L2-4、L3-1、L3-2、L3-4、L4-1、L4-2、L4-3，第一相的电流从输入端开始，先后依次流经 L1-2、L1-3、L1-4、L2-1、L3-1、L4-1，达到输出端，形成第一相电流通路；第二相的电流从输入端开始，先后依次流经 L1-2、L2-3、L2-4、L2-1、L3-2、L4-2，达到输出端，形成第二相电流通路；第三相的电流从输入端开始，先后依次流经 L1-3、L2-3、L3-4、L3-1、L3-2、L4-3，达到输出端，形成第三相电流通路；第四相的电流从输入端开始，先后依次流经 L1-4、L2-4、L3-4、L4-1、L4-2、L4-3，达到输出端，形成第四相电流通路。第一相通过L1-2和L2-1与第二相直接耦合，通过L1-3和L3-1与第三相直接耦合，通过L1-4和L4-1与第四相直接耦合；第二相通过L2-1和L1-2与第一相直接耦合，通过L2-3和L3-2与第三相直接耦合，通过L2-4和L4-2与第四相直接耦合；第三相通过L3-1和L1-3与第一相直接耦合，通过L3-2和L2-3与第二相直接耦合，通过L3-4和L4-3与第四相直接耦合；第四相通过L4-1和L1-4与第一相直接耦合，通过L4-2和L2-4与第二相直接耦合，通过L4-3和L3-4与第三相直接耦合。每两相之间都有两个耦合单元提供直接耦合。
该元件实现了所有相与相之间的直接耦合，通过这种耦合方式，每一相与电路中的其它所有相都可以直接耦合，与附图1所示的采用传统电感技术的四相降压开关电源电路相比较，附图2所示的电路在电路结构上完全相同，但是由于应用了全耦合电感技术，在每相总电感量以及各耦合电感单元的耦合系数保持不变的情况下，无论在电源相数全开通或部分开通的情况下，附图2电路相较附图1电路都具有更低的输出电流纹波。
如果附图1和附图2中的电路电气规格都为：输出电压1.8V，输出电压0.9V，开关频率30MHz，输出电流为1.35A，每相总电感量为30nH，耦合电感单元的耦合系数为-0.7，两个电路的第一相输出电流波形图如附图3所示，多路全耦合磁性元件每相电流的电流纹波系数是多路邻近耦合电感的81.1%。
这种全耦合方式，其使用数量为N×（N-1）个耦合单元，相比附图1的N个耦合单元，虽然数量增加了，但是具有更低的各相电流纹波和输出电流纹波。
实施例2
一种全耦合磁性元件，包括N行×（N-1）列个矩阵排列的结构相同的耦合单元1，矩阵记为：A=（aij）N×N-1，其中aij 是矩阵A的第i 行第j 列耦合单元1，N是≥2的自然数，i=1，2，3，……N，j=1，2，3，……N-1，每个耦合单元（1）具有磁芯2、一个正向绕组线圈3和一个反向绕组线圈4，两个绕组线圈绕制在磁芯2上或磁芯2包裹两个绕组线圈，两个绕组线圈匝数相同，且两个绕组线圈电流在磁芯2中产生的磁力线方向相反， N个输入端位于矩阵的同侧，N个输出端位于矩阵的另一侧，当p=1时，第1个输入端经过a11，a12，a13，……a1（N-1）的正向绕组线圈3，再经过a2（N-1），a3(N-2)，a4(N-3)，……aN1的反向绕组线圈4，串联到达第1个输出端成为一相，当p=2、3，4，……N-1，第p个输入端经过a1（p-1），a2（p-2），a3（p-3），……a（p-1）1的反向绕组线圈4，再经过ap1，ap2，ap3，……ap（N-1）的正向绕组线圈3，之后经过a（p+1）（N-1），a（p+2）（N-2），a（p+3）（N-3），……aNp的反向绕组线圈4，串联到达第p个输出端成为一相，当p=N，第p个输入端经过a1（p-1），a2（p-2），a3（p-3），……a（p-1）1的反向绕组线圈4，再经过ap1，ap2，ap3，……ap（N-1）的正向绕组线圈3，串联到达第N个输出端成为一相。
其中，正向绕组线圈3和反向绕组线圈4均为螺线管型线圈，磁芯2为开环。
如图4a、4b、4c所示，N分别为4、3、2的情况。
如图4a所示，N=4，具有4*3=12个耦合单元，当p=1时，从第1个输入端经过a11，a12，a13的正向绕组线圈3，之后经过a23，a32，a41的反向绕组线圈4，串联到达第1个输出端；当p=2时，a2（p-2），a3（p-3）不存在，所以第二相从第2个输入端经过a11反向绕组线圈4，再经过a21，a22，a23的正向绕组线圈3，之后经过a33，a42的反向绕组线圈4，串联到达第2个输出端，同样，当p=3时，第三相从第3个输入端经过a12，a21的反向绕组线圈4，再经过a31，a32，a33的正向绕组线圈3，之后经过a43的反向绕组线圈4，串联到达第3个输出端；当p=4时，第四相从第4个输入端经过a13，a22，a31的反向绕组线圈4，再经过a41，a42，a43的正向绕组线圈3，串联到达第4个输出端。
12个耦合单元分别为a11、a12、a13、a21、a22、a23、a31、a32、a33、a41、a42、a43，a11和a23同时提供了第一相与第二相之间的耦合，a12，a32同时提供了第一相与第三相之间的耦合，a13，a41同时提供了第一相与第四相之间的耦合，a21，a33同时提供了第二相与第三相之间的耦合，a22，a42同时提供了第二相与第四相之间的耦合，a31，a43同时提供了第三相与第四相之间的耦合从而实现全耦合磁性元件的四相之间分别直接耦合。
如图4b所示，N=3，具有3*2=6个耦合单元，当p=1时，第一相从第1个输入端经过a11，a12的正向绕组线圈3，之后经过a22，a31的反向绕组线圈4，串联到达第1个输出端；当p=2时，第二相从第2个输入端经过a11反向绕组线圈4，再经过a21，a22的正向绕组线圈3，之后经过a32的反向绕组线圈4，串联到达第2个输出端，同样，当p=3时，第三相从第3个输入端经过a12，a21的反向绕组线圈4，再经过a31，a32的正向绕组线圈3，串联到达第3个输出端。
6个耦合单元分别为a11、a12、a21、a22、a31、a32，a11和a22同时提供了第一相与第二相之间的耦合，a12，a31同时提供了第一相与第三相之间的耦合，a21，a32同时提供了第二相与第三相之间的耦合从而实现全耦合磁性元件的三相之间分别直接耦合。
如图4c所示，N=2，具有2*1=2个耦合单元，当p=1时，第一相从第1个输入端经过a11的正向绕组线圈3，之后经过a21反向绕组线圈4，串联到达第1个输出端；当p=2时，第二相从第2个输入端经过a11反向绕组线圈4，再经过a21串联到达第2个输出端。
2个耦合单元分别为a11、 a21，a11和 a21同时提供了第一相与第二相之间的耦合，从而实现两相全耦合磁性元件的两相之间的耦合。
如附图5-10所示，附图5所示的三相耦合磁性元件的耦合单元1采用多层叠合集成，从下到上包括底层导线层5、磁芯层6、顶层导线层7，相邻两层之间具有绝缘层8（图中未显示），底层导线层5和顶层导线层7之间需要连通的地方在绝缘层8上开有若干通孔9，通孔9内填埋导电材料，两层导线通过通孔9形成螺线型缠绕在磁芯层6上，并在每相的输入端至输出端形成导电通路。
图6、图7、图8、图10分别为图5中底层导线层5、磁芯层6、通孔9、顶层导线层7结构示意图，图9是底层导线层5、磁芯层6、通孔9叠合结构示意图。
附图7中的6个磁芯2分别对应于三相矩阵排列的6个耦合单元1。
所述的底层导线层5、磁芯层6和顶层导线层7采用导电材料微纳加工方法制作，绝缘层8采用绝缘材料微纳加工方法制作，所述的微纳加工方法包括光刻、电化学沉积、物理气相沉积、干法刻蚀或湿法刻蚀方法。
磁芯2可以为多层叠加，由多层磁芯材料与绝缘材料次序堆叠形成。
实施例3
其他部分如实施例2所示，不同之处在于：如附图11a、11b、11c所示，分别为本实施例中四相、三相、二相全耦合磁性元件结构连接示意图，其中磁芯2为闭环，可以形成闭合磁通回路，增加单位面积电感量。
实施例4
其他部分如实施例2所示，不同之处在于：如附图12a、12b、12c所示，分别为本实施例中四相、三相、二相全耦合磁性元件结构连接示意图，其中，正向绕组线圈3和反向绕组线圈4均为直线型线圈，磁芯2为上下两层，磁芯2上下层包裹正向绕组线圈3和反向绕组线圈4，磁芯2上下层使用平板结构开环。
附图13为图12a、12b、12c中耦合单元的多层叠合集成结构示意图。图14-17分别为是图13中的底层磁芯10、下层导线层11、上层导线层12、顶层磁芯13结构示意图，图18是图13的俯视图。
如附图13-18所示，所述的耦合单元1采用多层叠合集成，从下到上包括底层磁芯10、下层导线层11和上层导线层12，顶层磁芯13，相邻两层之间具有绝缘层8，下层导线层11和上层导线层12之间需要连通的地方开有通孔9（图中通孔未显示），通孔9内填埋导电材料，在每相的输入端至输出端之间通过下层导线层11、上层导线层12及通孔9形成导电通路。
实施例5
其他部分如实施例4所示，不同之处在于：如附图19所示，底层磁芯10与顶层磁芯13四周连接形成闭环结构。
实施例6
其他部分如实施例2所示，不同之处在于：附图20为本实施例6中耦合单元的多层叠合集成结构示意图，图21-25分别为图20 中底层磁芯10、下层导线层11、通孔9、上层导线层12、顶层磁芯13的结构示意图。
如附图20-25所示，所述的耦合单元1中包含有两个磁芯2，每个磁芯2包括一个底层磁芯10和一个顶层磁芯13，所述的正向绕组线圈3和反向绕组线圈4分别为螺旋型，两个磁芯2分别包裹正向绕组线圈3和反向绕组线圈4，每个磁芯2的底层磁芯10和顶层磁芯13之间为开环。
耦合单元1采用多层叠合集成，从下到上包括底层磁芯10、下层导线层11和上层导线层12，顶层磁芯13，相邻两层之间具有绝缘层8，下层导线层11和上层导线层12之间需要连通的地方开有通孔9，通孔9内填埋导电材料，每层导线层均是正向绕组线圈3和反向绕组线圈4螺旋交叉对称排布，正向绕组线圈3和反向绕组线圈4螺旋方向相反，下层导线层中的正、反向绕组线圈分别通过通孔9与上层导线层中的正、反向绕组线圈正向连接。上下层相对位置的导线形成一个绕组线圈，并被一对磁芯上下包裹。
综上所述仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围，凡依本申请专利范围的内容所作的等效变化与修饰，都应为本发明的技术范畴。

Claims (9)

1.一种全耦合磁性元件，包括至少两相电路，每相电路由若干耦合单元（1）连接形成，其特征在于：每两相电路至少通过2个耦合单元（1）直接耦合，并且该两相电路电流中各自的直流分量产生的磁场方向相反，包括N行×（N-1）列矩阵排列的结构相同的耦合单元（1），矩阵记为：A=（aij）N×N-1，其中aij 是矩阵A的第i 行第j 列耦合单元（1），N是≥2的自然数，i=1，2，3，……N，j=1，2，3，……N-1，每个耦合单元（1）具有单独的磁芯（2）、一个正向绕组线圈（3）和一个反向绕组线圈（4），两个绕组线圈绕制在磁芯（2）上或磁芯（2）包裹两个绕组线圈，两个绕组线圈匝数相同，且两个绕组线圈电流在磁芯（2）中产生的磁力线方向相反， N个输入端位于矩阵的同侧，N个输出端位于矩阵的另一侧，当p=1时，第1个输入端经过a11，a12，a13，……a1（N-1）的正向绕组线圈（3），再经过a2（N-1），a3(N-2)，a4(N-3)，……aN1的反向绕组线圈（4），串联到达第1个输出端成为一相，当p=2，3，4，……N-1，第p个输入端经过a1（p-1），a2（p-2），a3（p-3），……a（p-1）1的反向绕组线圈（4），再经过ap1，ap2，ap3，……ap（N-1）的正向绕组线圈（3），之后经过a（p+1）（N-1），a（p+2）（N-2），a（p+3）（N-3），……aNp的反向绕组线圈（4），串联到达第p个输出端成为一相，当p=N，第p个输入端经过a1（p-1），a2（p-2），a3（p-3），……a（p-1）1的反向绕组线圈（4），再经过ap1，ap2，ap3，……ap（N-1）的正向绕组线圈（3），串联到达第N个输出端成为一相，全耦合磁性元件采用微纳加工方法制作，每个耦合单元（1）的工艺完全一致，在制作过程中同步制作完成。
2.根据权利要求1所述的一种全耦合磁性元件，其特征在于：所述正向绕组线圈（3）和反向绕组线圈（4）均缠绕在磁芯（2）上，二者均为螺线管型线圈，磁芯（2）为单层或多层叠加，其中多层叠加由多层磁芯材料与绝缘材料次序堆叠形成，磁芯（2）设置为开环或闭环。
3.根据权利要求2所述的一种全耦合磁性元件，其特征在于：所述的耦合单元（1）采用多层叠合集成，从下到上包括底层导线层（5）、磁芯层（6）、顶层导线层（7），相邻两层之间具有绝缘层（8），底层导线层（5）和顶层导线层（7）之间需要连通的地方在绝缘层（8）上开有若干通孔（9），通孔（9）内填埋导电材料，底层导线层（5）和顶层导线层（7）的导线通过通孔（9）形成螺线型缠绕在磁芯层（6）上，并在每相的输入端至输出端形成导电通路。
4.根据权利要求3所述的一种全耦合磁性元件，其特征在于：所述的底层导线层（5）、磁芯层（6）和顶层导线层（7）采用导电材料微纳加工方法制作，绝缘层（8）采用绝缘材料微纳加工方法制作，所述的微纳加工方法包括光刻、电化学沉积、物理气相沉积、干法刻蚀或湿法刻蚀方法。
5.根据权利要求1所述的一种全耦合磁性元件，其特征在于：所述正向绕组线圈（3）和反向绕组线圈（4）均为直线型线圈，磁芯（2）为上下两层，磁芯（2）上下层包裹正向绕组线圈（3）和反向绕组线圈（4），磁芯（2）为单层或多层叠加，其中多层叠加由多层磁芯材料与绝缘材料次序堆叠形成，磁芯（2）设置为开环或闭环。
6.根据权利要求5所述的一种全耦合磁性元件，其特征在于：所述的耦合单元（1）采用多层叠合集成，从下到上包括底层磁芯（10）、下层导线层（11）和上层导线层（12），顶层磁芯（13），相邻两层之间具有绝缘层（8），下层导线层（11）和上层导线层（12）之间需要连通的地方开有通孔（9），通孔（9）内填埋导电材料，并在每相的输入端至输出端形成导电通路。
7.根据权利要求1所述的一种全耦合磁性元件，其特征在于：所述磁芯（2）为两个，每个磁芯（2）包括一个底层磁芯（10）和一个顶层磁芯（13），所述的正向绕组线圈（3）和反向绕组线圈（4）分别为螺旋型，两个磁芯（2）分别包裹正向绕组线圈（3）和反向绕组线圈（4），每个磁芯（2）的底层磁芯（10）和顶层磁芯（13）为单层或多层叠加，其中多层叠加由多层磁芯材料与绝缘材料次序堆叠形成，并设置为开环或闭环。
8.根据权利要求7所述的一种全耦合磁性元件，其特征在于：所述的耦合单元（1）采用多层叠合集成，从下到上包括底层磁芯（10）、下层导线层（11）、上层导线层（12）和顶层磁芯（13），相邻两层之间具有绝缘层（8），下层导线层（11）和上层导线层（12）之间需要连通的地方开有通孔（9），通孔（9）内填埋导电材料，每层导线层均是正向绕组线圈（3）和反向绕组线圈（4）螺旋交叉对称排布，正向绕组线圈（3）和反向绕组线圈（4）螺旋方向相反，下层导线层中的正、反向绕组线圈分别通过通孔（9）与上层导线层中的正、反向绕组线圈正向连接。
9.根据权利要求6或8所述的一种全耦合磁性元件，其特征在于：所述的底层磁芯（10）、下层导线层（11）、上层导线层（12）和顶层磁芯（13）采用导电材料微纳加工方法制作，绝缘层（8）采用绝缘材料微纳加工方法制作，所述的微纳加工方法包括光刻、电化学沉积、物理气相沉积、干法刻蚀或湿法刻蚀方法。
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